Sự hình thành của các thiên hà là một vũ điệu phức tạp giữa vật chất và năng lượng, xảy ra trên một giai đoạn có tỷ lệ vũ trụ và kéo dài hàng tỷ năm. Làm thế nào sự đa dạng của các thiên hà có cấu trúc và năng động mà chúng ta quan sát thấy ngày nay phát sinh từ sự hỗn loạn dữ dội của Vụ nổ lớn vẫn là một trong những câu đố khó giải quyết nhất của vũ trụ học.
Để tìm kiếm câu trả lời, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tạo ra mô hình quy mô lớn chi tiết nhất của vũ trụ cho đến nay, một mô phỏng mà họ gọi là TNG50. Vũ trụ ảo của chúng, rộng khoảng 230 triệu năm ánh sáng, chứa hàng chục ngàn thiên hà đang phát triển với các mức độ chi tiết trước đây chỉ thấy trong các mô hình thiên hà đơn lẻ. Mô phỏng đã theo dõi hơn 20 tỷ hạt đại diện cho vật chất tối, khí, sao và lỗ đen siêu lớn, trong khoảng thời gian 13,8 tỷ năm.
Độ phân giải và quy mô chưa từng có cho phép các nhà nghiên cứu thu thập những hiểu biết quan trọng về quá khứ của vũ trụ chúng ta, cho thấy các thiên hà có hình dạng kỳ lạ khác nhau biến thành như thế nào và các vụ nổ sao và lỗ đen kích hoạt sự tiến hóa của thiên hà này. Kết quả của họ được công bố trong hai bài báo sẽ được đăng trong số tháng 12 năm 2019 của tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
TNG50 là mô phỏng mới nhất được tạo ra bởi Dự án IllustrisTNG, nhằm xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh về cách vũ trụ của chúng ta phát triển kể từ Vụ nổ lớn bằng cách tạo ra một vũ trụ quy mô lớn mà không phải hy sinh các chi tiết đẹp của từng thiên hà.
Paul Torrey, phó giáo sư vật lý tại Đại học Florida, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Những mô phỏng này là những bộ dữ liệu khổng lồ, nơi chúng ta có thể học được một tấn bằng cách mổ xẻ và hiểu sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà bên trong chúng. "Điều cơ bản mới về TNG50, là bạn đang đạt được độ phân giải không gian và khối lượng đủ cao trong các thiên hà, cho bạn một bức tranh rõ ràng về cấu trúc bên trong của các hệ thống trông như thế nào khi chúng hình thành và phát triển."
Sự chú ý của mô hình đến chi tiết đi kèm với một số chi phí. Việc mô phỏng đòi hỏi 16.000 nhân xử lý của siêu máy tính Hazel Hen ở Stuttgart, Đức, chạy liên tục trong hơn một năm. Tính toán tương tự sẽ mất một hệ thống xử lý duy nhất 15.000 năm để tính toán. Mặc dù là một trong những mô phỏng vật lý thiên văn nặng tính toán nhất trong lịch sử, các nhà nghiên cứu tin rằng khoản đầu tư của họ đã được đền đáp.
"Các thí nghiệm số loại này đặc biệt thành công khi bạn nhận được nhiều hơn số tiền bạn đưa vào", Dylan Nelson, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Vật lý thiên văn Max Planck ở Munich, Đức, và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một tuyên bố . "Trong mô phỏng của chúng tôi, chúng tôi thấy các hiện tượng chưa được lập trình rõ ràng thành mã mô phỏng. Những hiện tượng này xuất hiện theo kiểu tự nhiên, từ sự tương tác phức tạp của các thành phần vật lý cơ bản của vũ trụ mô hình của chúng tôi."
Hiện tượng nổi lên đó có thể rất cần thiết để hiểu lý do tại sao vũ trụ của chúng ta xuất hiện như ngày nay là 13,8 tỷ năm sau Vụ nổ lớn. TNG50 cho phép các nhà nghiên cứu tận mắt nhìn thấy các thiên hà có thể xuất hiện từ những đám mây khí hỗn loạn hiện diện ngay sau khi vũ trụ được sinh ra. Họ phát hiện ra rằng các thiên hà hình đĩa phổ biến trong khu vực vũ trụ của chúng ta tự nhiên xuất hiện trong mô phỏng của chúng và tạo ra các cấu trúc bên trong, bao gồm các nhánh xoắn ốc, phình và các thanh kéo dài từ các lỗ đen siêu lớn trung tâm của chúng. Khi họ so sánh vũ trụ do máy tính của họ tạo ra với các quan sát thực tế, họ thấy quần thể thiên hà của chúng phù hợp về mặt chất lượng với thực tế.
Khi các thiên hà của chúng tiếp tục san phẳng thành các đĩa quay được sắp xếp tốt, một hiện tượng khác bắt đầu xuất hiện. Vụ nổ siêu tân tinh và các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của mỗi thiên hà đã tạo ra các luồng khí tốc độ cao. Những dòng chảy này biến thành những vòi phun khí tăng hàng nghìn năm ánh sáng trên một thiên hà. Lực kéo cuối cùng đã đưa phần lớn khí này trở lại đĩa của thiên hà, phân phối lại nó ra rìa ngoài của nó và tạo ra một vòng phản hồi của dòng khí và dòng khí. Ngoài việc tái chế các thành phần để hình thành các ngôi sao mới, các dòng chảy cũng được hiển thị để thay đổi cấu trúc thiên hà của chúng. Các khí tái chế đã đẩy nhanh quá trình biến đổi các thiên hà thành các đĩa quay mỏng.
Mặc dù những phát hiện ban đầu, nhóm nghiên cứu còn lâu mới hoàn thành việc mổ xẻ mô hình của họ. Họ cũng có kế hoạch phát hành công khai tất cả dữ liệu mô phỏng cho các nhà thiên văn học trên khắp thế giới để nghiên cứu vũ trụ ảo của họ.
"Có một con đường lớn phía trước chúng tôi bây giờ chúng tôi đã hoàn thành những mô phỏng này", Torrey nói. "Cả một nhóm các nhà nghiên cứu đang làm việc để hiểu rõ hơn các thuộc tính chi tiết của các thiên hà hình thành và những xu hướng mới nổi nào xuất hiện trong dữ liệu đó."
